一种复合碳纳米管的木质素基上浆剂的制备方法及其在聚烯烃中的应用

文档序号：45325 发布日期：2021-09-28 浏览：44次 >En<

阅读说明：本技术 一种复合碳纳米管的木质素基上浆剂的制备方法及其在聚烯烃中的应用 (Preparation method of lignin-based sizing agent for composite carbon nano tube and application of lignin-based sizing agent in polyolefin ) 是由张晨晨呼微赵文杰刘碧莹刘昱含王艳淼刘万利王寒冰张亮张袅娜徐义于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种复合碳纳米管的木质素基上浆剂的制备方法及其在聚烯烃中的应用,制备方法为：先将环氧树脂和臭氧化的木质素溶于有机溶剂,经加热搅拌反应获得木质素基环氧树脂,再加入醇胺和羧酸加热搅拌反应后,加入碳纳米管和硅烷偶联剂获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；将碳纤维浸渍在上述上浆剂中,烘干后置于聚烯烃中层,经熔融成型,获得碳纤维增强聚烯烃复合材料。上浆剂具有良好的粘结性能,在碳纤维与聚烯烃间产生“桥梁作用”,解决了碳纤维与聚烯烃之间粘结性差等缺陷,提高了复合材料的力学性能。本发明的上浆剂以水为介质,避免了有机溶剂的使用,成本低,环境友好,稳定性好。(The invention provides a preparation method of lignin-based sizing agent of composite carbon nano tube and application thereof in polyolefin, the preparation method comprises the following steps: dissolving epoxy resin and ozonized lignin in an organic solvent, heating and stirring for reaction to obtain lignin-based epoxy resin, adding alcohol amine and carboxylic acid, heating and stirring for reaction, and adding a carbon nano tube and a silane coupling agent to obtain a lignin-based sizing agent of the composite carbon nano tube; and (3) soaking carbon fibers in the sizing agent, drying, placing in the polyolefin middle layer, and performing melt molding to obtain the carbon fiber reinforced polyolefin composite material. The sizing agent has good adhesive property, generates a bridge function between the carbon fiber and the polyolefin, overcomes the defects of poor adhesive property and the like between the carbon fiber and the polyolefin, and improves the mechanical property of the composite material. The sizing agent disclosed by the invention takes water as a medium, avoids the use of an organic solvent, and is low in cost, environment-friendly and good in stability.)

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，尤其涉及一种复合碳纳米管的木质素基上浆剂的制备方法及其在聚烯烃中的应用。

背景技术

聚烯烃是一种密度低、原料丰富、价格低廉、应用广泛的高分子材料，属于热塑性树脂。然而聚烯烃的缺口冲击韧性较低，收缩率大，导致聚烯烃在使用过程中受到外力的影响而出现应力发白，在一定程度上限制了它的应用广泛性。

碳纤维是一种高比模量、高比强度、密度低、耐高温、热膨胀系数小的优异材料，被广泛应用于航天航空、汽车等高端领域。通过结合聚烯烃与碳纤维的优点，可制备出高强度、轻量化的复合材料。然而，碳纤维呈现表面化学惰性，表面能低且几乎无化学基团。聚烯烃属于非极性聚合物，这导致在碳纤维/聚烯烃复合材料制备时两者之间界面粘结强度差，严重影响碳纤维的增强效果；另外材料之间结合难度很高，对于工艺的把控要求严格，容易出现气孔、分层、夹杂等缺陷，在使用过程中局部冲击过大也将容易出现开裂、脱层的问题。

目前采用上浆剂增强碳纤维/聚烯烃复合材料之间的界面性能。上浆剂具有以下功能：（1）减少静电作用，提高碳纤维的集束能力，便于后续进行编纺加工；（2）隔绝空气、水分和灰尘，保持碳纤维表面活性；（3）填补碳纤维表面缺陷，在一定程度上对碳纤维起到辅助增强作用；（4）使碳纤维表面光滑，避免了在后续加工中的摩擦损伤，减少毛刺产生，提高碳纤维寿命，对碳纤维起到保护作用。

上浆剂可以分为溶液型上浆剂、乳液型上浆剂和亲水型上浆剂。溶液型上浆剂因其需要使用大量有机溶剂，成本相对较高，而且大量溶剂的挥发对于人体健康和工作环境具有非常严重的危害，所以目前已较少使用。乳液型上浆剂由于需要使用大量的乳化剂，其本质也是一种表面活性剂，故使碳纤维表面容易吸附水分；并且，低分子量的表面活性剂也会影响纤维与树脂之间的粘结性。少加或者不加乳化剂是上浆剂发展的重要方向，亲水型上浆剂是传统乳液型上浆剂的改进，通过向树脂中引入亲水性基团或将官能团离子化使其具有自乳化能力，能在水中不需要外加乳化剂就可以自乳化分散成乳液，较好的溶于水中，从而避免乳化剂的使用，而且其具有粒径尺寸小、粒径尺寸均匀及稳定性较高等优点。因此，亲水型环保无污染的上浆剂的研究成为了未来上浆剂发展的重点。另外在上浆剂中加入与碳纤维能形成共轭结构的官能团，将有助于上浆剂更好地粘结碳纤维和聚烯烃。

基于以上，开发一种亲水型环保高粘附性能上浆剂对碳纤维进行处理，提高碳纤维与聚烯烃的相容性，减少相容剂的使用量或者不使用相容剂，同时满足材料力学性能，已成为目前亟需解决的技术难题。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提供了一种复合碳纳米管的木质素基上浆剂的制备方法及其在聚烯烃中的应用，它是由如下方法步骤制备的：

（1）将5-20g木质素置于臭氧化装置中，在臭氧浓度4.5-20mg/L，混合气体流速200-450L/h，臭氧浓度的条件下处理0.5-1.5h获得臭氧化改性的木质素；

（2）将步骤（1）获得的臭氧化改性的木质素和环氧树脂溶于有机溶剂后，在室温搅拌5-25分钟，然后再升温到70-100℃搅拌反应1-4小时获得木质素基环氧树脂；

（3）在步骤（2）获得的木质素基环氧树脂中加入有机溶剂，再加入醇胺，在70-100℃进行搅拌反应1-4h后，搅拌速度200-600rpm，获得接枝醇胺的木质素基环氧树脂；

（4）在步骤（3）获得的接枝醇胺的木质素基环氧树脂中加入羧酸溶液，在50-80℃搅拌反应0.5-2小时后，搅拌速度为200-600rpm，再加入碳纳米管和硅烷偶联剂反应1-5h后，按照质量比计：所述硅烷偶联剂、步骤（2）中的环氧树脂、步骤（1）中的木质素、步骤（3）中的醇胺、羧酸和碳纳米管质量比为0.2-2：5-11：0.5-3：1-4：1-4：0.005-0.02，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂。

进一步地，步骤（1）所述的木质素为酶解木质素、碱木质素、磺酸盐木质素、磨木木质素或有机溶剂木质素中的一种或两种。

进一步地，步骤（2）所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂、羟甲基双酚A型环氧树脂或双酚S型环氧树脂中的任意一种；所述的有机溶剂为N,N二甲基甲酰胺。

进一步地，步骤（3）所述的有机溶剂为甲醇、乙醇或乙二醇单丁醚中的一种或任意组合；所述的醇胺为乙醇胺、二乙醇胺、二甲基乙醇胺或三乙醇胺中的一种或任意组合。

进一步地，步骤（4）所述的羧酸为乙二酸、甲酸、乙酸或丙酸中的一种或任意组合；所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、羟基化碳纳米管或羧基化碳纳米管的一种或任意组合；所述的硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基-三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或任意组合。

本发明还提供了一种复合碳纳米管的木质素基上浆剂在碳纤维增强聚烯烃复合材料领域的应用，它包括如下步骤：

（1）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为0.5-4wt% 复合碳纳米管的木质素基上浆剂中2-6min，然后将碳纤维布以2-6cm/min的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在70-100℃烘干1-4小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

（2）将聚烯烃粉末平铺在模具中，将步骤（1）上浆预处理后的碳纤维布置于聚烯烃粉末中层，碳纤维布与聚烯烃粉末按质量比6-10:80-100放置在平板硫化仪中，在温度170-200℃预热1-7min，然后施加10-25吨压力进行热压3-5min，再降至室温后保持压力10-30吨2-8min后，获得碳纤维增强聚烯烃复合材料。

进一步地，步骤（2）所述的聚烯烃为聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物中的任意一种。

本发明提供的一种复合碳纳米管的木质素基上浆剂，为木质素、硅烷偶联剂、环氧树脂、醇胺、羧酸和碳纳米管的共聚物亲水型乳液。其具有很好的粘附性能，大幅度缩短浸渍时间，上浆操作简单，易于实施，且在碳纤维与聚烯烃基体间起到良好的桥接和界面增强作用，从而进一步提高复合材料的力学性能。采用上述上浆剂对碳纤维进行预处理，制备的碳纤维增强聚烯烃复合材料具有优异的力学性能。

附图说明

图1为实施例1臭氧化处理前后的有机溶剂木质素红外光谱对比图；

图2为实施例1的复合碳纳米管的木质素基上浆剂的红外光谱图；

图3为实施例2和对比例2获得的碳纤维复合材料的弯曲强度和层间剪切强度。

具体实施方式

以下实施例采用是将T700-12K的碳纤维布进行去浆处理后的碳纤维布，其中碳纤维为日本东丽有限公司生产的型号为T700-12K的碳纤维布，上浆前需进行去浆处理，去浆处理采用方法为：在超声条件下，将碳纤维布在丙酮、乙醇和水混合溶液中浸泡10-30min，再将浸泡后的碳纤维布放置于浓硝酸中24h后用去离子水对碳纤维布进行洗涤，再将碳纤维布在80-100℃进行烘干获得去浆处理的碳纤维布，并将其裁剪为8×10cm大小，冷却置于干燥器中备用。所述的丙酮、乙醇和水是按照体积比：1.5:1:1进行混合的。

实施例1

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将7g有机溶剂木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速450L/h，臭氧浓度14mg/L条件下处理50分钟后获得臭氧化处理的有机溶剂木质素；

（2）将1.5g步骤（1）获得的臭氧化处理的有机溶剂木质素和8.5g双酚A型环氧树脂溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）后，在室温搅拌20分钟，然后再升温到75℃搅拌110分钟后获得木质素基环氧树脂；

（3）在步骤（2）获得的木质素基环氧树脂中加入无水乙醇，再加入3g二乙醇胺，在70℃进行搅拌2h后，搅拌速度350rpm，获得接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂；

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.8g乙酸溶液和0.008g多壁碳纳米管，在65℃搅拌40分钟后，搅拌速度为350rpm，再加入0.94gγ―氨丙基三乙氧基硅烷反应3.5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂。

实施例2

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（1）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为1.5wt% 的实施例1获得的上浆剂水溶液中5分钟，然后将碳纤维布以3厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在90℃烘干1小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

（2）将聚丙烯粉末平铺在模具中，将步骤（1）上浆预处理后的碳纤维布置于聚丙烯粉末中层，碳纤维布与聚丙烯粉末按质量比7%:95%放置在平板硫化仪中，在温度180℃预热6分钟，然后施加15吨压力进行热压4分钟，再降至室温后保持压力15吨4分钟后获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。

实施例3

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（1）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为2.0wt% 的实施例1获得的上浆剂水溶液中5分钟，然后将碳纤维布以3厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在90℃烘干1小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

实施例4

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（1）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为2.5wt% 的实施例1获得的上浆剂水溶液中5分钟，然后将碳纤维布以3厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在90℃烘干1小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

实施例5

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（1）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为3.0wt% 的实施例1获得的上浆剂水溶液中5分钟，然后将碳纤维布以3厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在90℃烘干1小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

实施例6

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（1）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为2.5wt% 的实施例1获得的上浆剂水溶液中6分钟，然后将碳纤维布以4厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在90℃烘干4小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

（2）将聚丙烯粉末平铺在模具中，将步骤（1）上浆预处理后的碳纤维布置于聚丙烯粉末中层，碳纤维布与聚丙烯粉末按质量比7%:90%放置在平板硫化仪中，在温度180℃预热6分钟，然后施加15吨压力进行热压4分钟，再降至室温后保持压力15吨4分钟后获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。

实施例7

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（1）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为2.5wt% 的实施例1获得的上浆剂水溶液中3分钟，然后将碳纤维布以2厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在100℃烘干2小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

（2）将聚丙烯粉末平铺在模具中，将步骤（1）上浆预处理后的碳纤维布置于聚丙烯粉末中层，碳纤维布与聚丙烯粉末按质量比6%:100%放置在平板硫化仪中，在温度180℃预热6分钟，然后施加15吨压力进行热压4分钟，再降至室温后保持压力15吨4分钟后获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。

实施例8

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将7g酶解木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速450L/h，臭氧浓度14mg/L条件下处理50分钟后获得臭氧化处理的酶解木质素；

（2）将1.5g步骤（1）获得的臭氧化处理的酶解木质素和8.5g双酚A型环氧树脂溶于DMF后，在室温混合后搅拌20分钟，然后升温到75℃下搅拌110分钟获得木质素基环氧树脂；

（3）在步骤（2）获得的木质素基环氧树脂中加入无水乙醇和甲醇，再加入3g二乙醇胺，在70℃进行搅拌2h后，搅拌速度350rpm，获得接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂；

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.8g乙酸溶液和0.008g单壁碳纳米管，在65℃搅拌40分钟后，搅拌速度为350rpm，再加入0.94gγ―氨丙基三乙氧基硅烷反应3.5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（5）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为2.5wt% 的步骤（4）获得的上浆剂水溶液中5分钟，然后将碳纤维布以3厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在90℃烘干1小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

（6）将聚丙烯粉末平铺在模具中，将步骤（5）上浆预处理后的碳纤维布置于聚丙烯粉末中层，碳纤维布与聚丙烯粉末按质量比7%:95%放置在平板硫化仪中，在温度180℃预热6分钟，然后施加15吨压力进行热压4分钟，再降至室温后保持压力15吨4分钟后获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。

实施例9

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将7g碱木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速450L/h，臭氧浓度14mg/L条件下处理50分钟后获得臭氧化处理的碱木质素；

（2）将1.5g步骤（1）获得的臭氧化处理的碱木质素和8.5g氢化双酚A型环氧树脂溶于DMF后，在室温混合后搅拌20分钟，然后升温到75℃下搅拌110分钟获得木质素基环氧树脂；

（3）在步骤（2）获得的木质素基环氧树脂中加入无水乙醇，再加入3g三乙醇胺，在70℃进行搅拌2h后，搅拌速度350rpm，获得接枝三乙醇胺的木质素基环氧树脂；

（4）在步骤（3）获得的接枝三乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.8g乙酸溶液和0.008g多壁碳纳米管，在65℃搅拌40分钟后，搅拌速度为350rpm，再加入0.94gγ―氨丙基三乙氧基硅烷反应3.5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

实施例10

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将7g磺酸盐木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速450L/h，臭氧浓度14mg/L条件下处理50分钟后获得臭氧化处理的磺酸盐木质素；

（2）将1.5g步骤（1）获得的臭氧化处理的磺酸盐木质素和8.5g双酚A型环氧树脂溶于DMF后，在室温混合后搅拌20分钟，然后升温到75℃下搅拌110分钟获得木质素基环氧树脂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

实施例11

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将7g磨木木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速450L/h，臭氧浓度14mg/L条件下处理50分钟后获得臭氧化处理的磨木木质素；

（2）将1.5g步骤（1）获得的臭氧化处理的磨木木质素和8.5g双酚A型环氧树脂溶于DMF后，在室温混合后搅拌20分钟，然后升温到75℃下搅拌110分钟获得木质素基环氧树脂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

实施例12

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将7g有机溶剂木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速400L/h，臭氧浓度16mg/L条件下处理60分钟后获得臭氧化处理的有机溶剂木质素；

（2）将2g步骤（1）获得的臭氧化处理的有机溶剂木质素和8.5g双酚A型环氧树脂溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）后，在室温搅拌20分钟，然后再升温到75℃搅拌110分钟后获得木质素基环氧树脂；

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.8g乙酸溶液和0.008g羟基化碳纳米管，在65℃搅拌40分钟后，搅拌速度为350rpm，再加入0.94gγ―氨丙基三乙氧基硅烷反应3.5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（6）将聚丙烯粉末平铺在模具中，将步骤（5）上浆预处理后的碳纤维布置于聚丙烯粉末中层，碳纤维布与聚丙烯粉末按质量比7%:95%放置在平板硫化仪中，在温度190℃预热6分钟，然后施加12吨压力进行热压4分钟，再降至室温后保持压力12吨4分钟后获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。

实施例13

上浆剂的制备方法：

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.8g乙酸溶液和0.008g羧基化碳纳米管，在65℃搅拌40分钟后，搅拌速度为350rpm，再加入0.94gγ―氨丙基三乙氧基硅烷反应3.5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

实施例14

上浆剂的制备方法：

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.8g乙酸溶液和0.008g多壁碳纳米管，在65℃搅拌40分钟后，搅拌速度为350rpm，再加入0.94g乙烯基三甲氧基硅烷反应3.5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（5）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为2.5wt% 的步骤（4）获得的上浆剂水溶液中10分钟，然后将碳纤维布以3厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在90℃烘干1小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

（6）将聚丙烯粉末平铺在模具中，将步骤（5）上浆预处理后的碳纤维布置于聚丙烯粉末中层，碳纤维布与聚丙烯粉末按质量比7%:95%放置在平板硫化仪中，在温度200℃预热4分钟，然后施加14吨压力进行热压5分钟，再降至室温后保持压力14吨5分钟后获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。

实施例15

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将7g有机溶剂木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速450L/h，臭氧浓度16mg/L条件下处理60分钟后获得臭氧化处理的有机溶剂木质素；

（2）将2g步骤（1）获得的臭氧化处理的有机溶剂木质素和10g双酚F型环氧树脂溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）后，在室温搅拌20分钟，然后再升温到75℃搅拌110分钟后获得木质素基环氧树脂；

（3）在步骤（2）获得的木质素基环氧树脂中加入无水乙醇，再加入3.5g二乙醇胺，在70℃进行搅拌2h后，搅拌速度350rpm，获得接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂；

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入2g乙酸溶液和0.01g羧基化碳纳米管，在65℃搅拌40分钟后，搅拌速度为350rpm，再加入1gγ-甲基丙烯酰氧基丙基-三甲氧基硅烷反应3.5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

实施例16

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将7g有机溶剂木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速450L/h，臭氧浓度20mg/L条件下处理45分钟后获得臭氧化处理的有机溶剂木质素；

（2）将1.8g步骤（1）获得的臭氧化处理的有机溶剂木质素和9g双酚A型环氧树脂溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）后，在室温搅拌20分钟，然后再升温到75℃搅拌110分钟后获得木质素基环氧树脂；

（3）在步骤（2）获得的木质素基环氧树脂中加入无水乙醇，再加入3.2g二乙醇胺，在70℃进行搅拌2h后，搅拌速度350rpm，获得接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂；

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.86g乙酸溶液和0.15g羟基化碳纳米管，在65℃搅拌40分钟后，搅拌速度为350rpm，再加入1gγ―氨丙基三乙氧基硅烷反应3.5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

实施例17

上浆剂的制备方法：

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1.86g乙酸溶液和0.15g多壁碳纳米管，在65℃搅拌40分钟后，搅拌速度为350rpm，再加入1gγ―氨丙基三乙氧基硅烷反应3.5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（6）将聚丙烯粉末平铺在模具中，将步骤（5）上浆预处理后的碳纤维布置于聚丙烯粉末中层，碳纤维布与聚丙烯粉末按质量比7.5%:100%放置在平板硫化仪中，在温度190℃预热6分钟，然后施加12吨压力进行热压4分钟，再降至室温后保持压力12吨4分钟后获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。

实施例18

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将5g有机溶剂木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速200L/h，臭氧浓度4.5mg/L条件下处理30分钟后获得臭氧化处理的有机溶剂木质素；

（2）将0.5g步骤（1）获得的臭氧化处理的有机溶剂木质素和5g双酚A型环氧树脂溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）后，在室温搅拌5分钟，然后再升温到70℃搅拌60分钟后获得木质素基环氧树脂；

（3）在步骤（2）获得的木质素基环氧树脂中加入无水乙醇，再加入1g二乙醇胺，在70℃进行搅拌1h后，搅拌速度200rpm，获得接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂；

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入1g乙酸溶液和0.005g多壁碳纳米管，在50℃搅拌30分钟后，搅拌速度为200rpm，再加入0.2gγ―氨丙基三乙氧基硅烷反应1h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（5）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为0.5wt% 的步骤（4）获得的上浆剂水溶液中2分钟，然后将碳纤维布以2厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在70℃烘干1小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

（6）将聚丙烯粉末平铺在模具中，将步骤（1）上浆预处理后的碳纤维布置于聚丙烯粉末中层，碳纤维布与聚丙烯粉末按质量比6%:100%放置在平板硫化仪中，在温度170℃预热1分钟，然后施加10吨压力进行热压3分钟，再降至室温后保持压力10吨2分钟后获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。

实施例19

上浆剂的制备方法：

（1）臭氧化处理木质素：将20g有机溶剂木质素置于臭氧化装置中，在混合气体流速450L/h，臭氧浓度20mg/L条件下处理1.5h后获得臭氧化处理的有机溶剂木质素；

（2）将3g步骤（1）获得的臭氧化处理的有机溶剂木质素和11g双酚A型环氧树脂溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）后，在室温搅拌25分钟，然后再升温到100℃搅拌4h后获得木质素基环氧树脂；

（3）在步骤（2）获得的木质素基环氧树脂中加入无水乙醇，再加入4g二乙醇胺，在100℃进行搅拌4h后，搅拌速度600rpm，获得接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂；

（4）在步骤（3）获得的接枝二乙醇胺的木质素基环氧树脂中加入4g乙酸溶液和0.02g多壁碳纳米管，在80℃搅拌2h后，搅拌速度为600rpm，再加入0.2gγ―氨丙基三乙氧基硅烷反应5h后，再旋蒸除去溶剂，获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂；

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（5）在室温，将碳纤维布浸渍在浓度为4wt% 的步骤（4）获得的上浆剂水溶液中6分钟，然后将碳纤维布以6厘米/分钟的速度从上浆剂水溶液中拉出，再在100℃烘干4小时后获得上浆预处理后的碳纤维布；

（6）将聚丙烯粉末平铺在模具中，将步骤（5）上浆预处理后的碳纤维布置于聚丙烯粉末中层，碳纤维布与聚丙烯粉末按质量比10%:80%放置在平板硫化仪中，在温度200℃预热7分钟，然后施加25吨压力进行热压5分钟，再降至室温后保持压力30吨8分钟后获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。

实施例20

上浆剂的制备方法：

碳纤维增强聚乙烯复合材料的制备方法：

（6）将聚乙烯粉末平铺在模具中，将步骤（5）上浆预处理后的碳纤维布置于聚乙烯粉末中层，碳纤维布与聚乙烯粉末按质量比10%:80%放置在平板硫化仪中，在温度200℃预热7分钟，然后施加25吨压力进行热压5分钟，再降至室温后保持压力30吨8分钟后获得碳纤维增强聚乙烯复合材料。

对比例1

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（1）在室温，将T700-12K碳纤维布浸渍在去离子水中5min，然后将碳纤维布以3cm/min的速度从去离子水中拉出，再在90℃烘干1小时后获得预处理后的碳纤维布；

对比例2

碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法：

（1）在室温，将去浆处理的T700-12K碳纤维布浸渍在去离子水中5min，然后将碳纤维布以3cm/min的速度从去离子水中拉出，再在90℃烘干1小时后获得预处理后的碳纤维布；

附图1为实施例1臭氧化改性前后有机溶剂木质素的红外光谱对比谱图，通过臭氧化，破坏了有机溶剂木质素中苯环的三维网状结构，使得羟基等活性基团等暴露出来。从附图1中可见,对于两条光谱图都出现的2990cm^-1处的特征峰是木质素上存在的弱的游离酚羟基的振动吸收峰，经过臭氧化，羟基峰明显增强，说明了臭氧化成功地增加了有机溶剂木质素中羟基的含量。在1709cm^-1处出现一个强振动峰，这归因于C=O的拉伸振动，在1600cm^-1处对应芳香族苯骨架的峰有所下降，说明经过臭氧化，有机溶剂木质素上苯环断裂使更多的活性基团暴露出来。

附图2为实施例1获得复合碳纳米管的木质素基上浆剂的红外光谱谱图，在1043cm^-1，1118cm^-1，1385cm^-1处的峰是Si-O-CH₂CH₃之间的吸收特征峰，所有这些特征峰代表着上浆剂成功接枝上了硅烷偶联剂。在1640cm^-1、1430cm^-1处的峰代表C=O和C-H弯曲振动峰，这两处特征峰有所加强，也是由碳纳米管的加入产生的。

对上述实施例2-5不同浓度的上浆剂与文献表述的上浆剂进行上浆剂稳定性测试，结果见表1所示。

对上述实施例2-5以及文献表述的碳纤维布进行碳纤维毛丝量测试，结果见表2所示。

对上述实施例2-5以及对比例1-2制备的碳纤维/聚丙烯复合材料进行力学测试，结果见表3所示。

表1：上浆剂稳定性测试

对比情况	稳定性（天）
		实施例2	35
实施例3	35
		实施例4	35
实施例5	35
		PEG4000改性环氧树脂上浆剂	14
氧化石墨烯改性乳液型碳纤维上浆剂	30

表1中PEG4000改性环氧树脂上浆剂来源于聚乙二醇的改性及水性环氧树脂乳液性能研究[J].(化工新型材料, 杨昆明，李鹏，程斌，杨小平2019, 47(07): 94-98.)，氧化石墨烯改性乳液型碳纤维上浆剂来源于一种增强聚丙烯的碳纤维上浆剂的配方及其制备方法[P]. (王婷,马小龙,葛曷一,王翠翠,滕朝阳,李阳. 山东：CN105176008A,2015-12-23.)。

由表1可以看出，本发明制备的复合碳纳米管的木质素基上浆剂具有更好且优良的稳定性，由此说明本发明制备的复合碳纳米管的木质素基上浆剂在生产运输方面稳定效果显著。

表2为实施例2-5上浆预处理后的碳纤维布以及T700-12K碳纤维布、对T700-12K碳纤维布去浆处理后的碳纤维布和上浆处理后HS-12K碳纤维材料毛丝量对比情况。

碳纤维束在两个规格为长40 mm×宽10 mm×厚5 mm的聚氨酯泡沫之间以15 m/min的速度匀速拖动，聚氨酯载重200 g，50 m后记录聚氨酯泡沫上的毛丝量。

表2：碳纤维毛丝量测试

对比情况	碳纤维毛丝量（mg）
		实施例2	3.3 ± 0.1
实施例3	3.4 ± 0.1
		实施例4	3.6 ± 0.1
实施例5	3.8 ± 0.1
		T700-12K碳纤维布	5.0 ±0.1
对T700-12K碳纤维布去浆处理后的碳纤维布	25 ± 0.2
		上浆处理后HS-12K碳纤维材料	6.0 ± 0.5

表2中列出的上浆处理后HS-12K碳纤维材料毛丝量的数据来源于国产T800S级碳纤维表面结构和耐磨性研究[J].(固体火箭技术, 惠雪梅,侯晓,崔红,张承双,赵晓冉. 1-7).

由表2可以看出，在加入上浆剂后，上浆预处理的碳纤维的毛丝量有明显的下降。与对T700-12K碳纤维布去浆处理后的碳纤维布相比而言，实施例2加入上浆剂的碳纤维材料碳纤维毛丝量降低了86.8％。由此说明本发明制备的复合碳纳米管的木质素基上浆剂在降低碳纤维毛丝量方面效果显著。说明使用本发明的上浆剂上浆后，碳纤维的耐磨性能得到了明显提高，利于碳纤维的后续加工。

表3：实施例2-5以及对比例1-2制备的碳纤维增强聚丙烯复合材料力学性能对比情况

表3中列出的DCF/PP复合材料和CF-5CNTs碳纤维/聚丙烯复合材料的力学性能来源于碳纤维表面改性及其树脂基复合材料性能[D].(济南大学,初彩霞.2020).

由上述对比可知，与对比例相比，本发明采用特定组分的复合碳纳米管的木质素基上浆剂，对碳纤维进行预处理，制备的碳纤维增强聚烯烃复合材料具有优异的力学性能。

由表3可以看出，从硕士论文“碳纤维表面改性及其树脂基复合材料性能”第46页公开的图5显示：与碳纤维增强聚丙烯复合材料（DCF/PP复合材料）相比，添加5CNTs上浆剂后的碳纤维增强聚丙烯复合材料弯曲强度提升了22.5%。与对比例2和对比例1的碳纤维增强聚丙烯复合材料相比，本发明实施例2加入上浆剂的碳纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能均有显著提高，其中与对比例2相比，弯曲强度提高了38.1%，弯曲模量提高了59.3%，冲击强度提高了139.3%，层间剪切强度提高了93.9%；与对比例1相比，弯曲强度提高了18.2%，弯曲模量提高了26.5%，冲击强度提高了63.4%，层间剪切强度提高了68.4%。由此说明本发明制备的复合碳纳米管的木质素基上浆剂在提升复合材料力学性能方面优于现有技术。

本发明的上浆剂合理利用了木质素和碳纳米管，利用木质素的苯环和碳纳米管与碳纤维基体上的碳六元环之间具有的π-π共轭作用，增强上浆剂与碳纤维的界面结合力；本发明的上浆剂接枝了硅烷偶联剂，在保持亲水性的同时，通过环氧树脂和硅烷偶联剂上的烷基链与聚烯烃基体分子产生物理缠结作用，增强了界面结合力，从而提高了复合材料的综合力学性能。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

19页详细技术资料下载

上一篇：一种医用注射器针头装配设备

下一篇：一种适用于高寒地区的碳纤维油剂

一种复合碳纳米管的木质素基上浆剂的制备方法及其在聚烯烃中的应用

相关技术

网友询问留言